МАОУ Лицей №130, г. Екатеринбург

Школьник понимает физический опыт только тогда хорошо, когда делает его сам.

Но еще лучше он понимает его, если сам делает прибор для эксперимента.

(П.Л. Капица)

Сегодня наше общество находится в процессе глобальных преобразований. С одной стороны, необходимость в модернизации экономики выдвигает на первое место задачу подготовки высококвалифицированных кадров для промышленности и развитие инженерного образования. В этимологическом онлайн-словаре Макса Фасмера написано, что слово «инженер» произошло от латинского слова ingenium – «остроумное изобретение». В последнее время в понятие «инженерное образование» вкладывается не только возможность получения интегрированных фундаментальных знаний, но и умение их применять в проектной и исследовательской технической деятельности, умение делать свои собственные открытия и изобретения. Конечно, готовить таких специалистов надо уже, начиная со школьной скамьи. Ведь именно в школе закладываются навыки поиска и критического осмысления информации, выдвижения собственных идей, воплощения их на практике, необходимые будущему инженеру.

С другой стороны, введение в действие образовательных стандартов нового поколения, основанных на использовании системно-деятельностного подхода к образованию, не только повлекло изменение всей базы имеющихся образовательных технологий и педагогических практик, но и привело к возникновению новых. В фундаменте этих новых технологий лежат интегрированные межпредметные знания и возможность организации исследовательской и проектной работы.

С недавнего времени в лицее идет освоение новой образовательной технологии – схемотехники на базе платформы Arduino Uno. Современных школьников окружает огромное число электронных устройств. Arduino – удобная и, сравнительно, недорогая образовательная платформа, позволяющая учащимся быстро и удобно исследовать, как проектируются и создаются такие устройства, как ими управлять. На занятиях по схемотехнике мы применяем следующие ИКТ-практики: поиск и изучение информации на сайте wiki.amperka.ru о свойствах и способах подключения электронных элементов, разработка виртуальной макетной платы и принципиальной схемы электронного устройства в среде Fritzing, создание реального устройства из элементов схемотехнического конструктора «МатрешкаY» на основе разработанного виртуально устройства, разработка, отладка и тестирование программы управления устройством в среде Arduino ID. Остановимся подробно на целях, способах реализации и результатах применения этих ИКТ-практик.

Цель работы с wiki.amperka.ru: познакомить учащихся с назначением и физическими основами подключения различных электронных устройств. В ходе этой самостоятельной работы учащиеся осознают, что в основе работы любых электронных устройств лежат физические законы, понять принципы работы электронных элементов. Учащимся становится понятно, что в основе работы электронных устройств лежит микроконтроллер, управляющий работой электронных элементов.

Цель работы в среде Fritzing: познакомить учащихся с процессами проектирования и макетирования схем, познакомить с графической конструкторской документацией. Чтобы лучше понять, как подключаются электронные элементы к плате Arduino Uno, мы используем бесплатную среду Fritzing для проектирования и макетирования схем. Устройства в этой среде проектируются из готовых элементов, список которых очень широк и может быть дополнен самим пользователем. Это и макетная плата, и плата Arduino, и различные аналоговые и цифровые микросхемы, транзисторы, светодиоды, резисторы, конденсаторы, кнопки и другое. Чтобы поместить их на схему – достаточно выбрать из списка и перетащить на рабочее пространство левой кнопкой мышки. Схемы создаются в двух режимах: в режиме макетной платы и принципиальной схемы. Режим макетной платы дает учащимся понять, как элементы будут подключаться к реальной плате Arduino, как они должны быть расположены и соединены. Второй режим – в виде принципиальной схемы – дает возможность учащимся понять состав электронного устройства, связь между элементами, знакомит учащихся с графической конструкторской документацией. Учащиеся строят схему в виде макетной платы, а затем смотрят, как выглядит принципиальная схема устройства. Вторая схема будет строиться автоматически. 

Цель работы со схемотехническими конструкторами: создание собственного электронного устройства в соответствии с разработанным устройством в среде Fritzing и подготовка его к проведению экспериментов по управлению. После того, как макетная плата построена с помощью Fritzing, учащимся становится проще собрать устройство на реальной макетной плате. Работа с «Матрешкой Y» и Arduino меняет общепринятые взгляды на занятия радиотехникой. Оказывается, что для того чтобы создавать свои собственные устройства и экспериментировать с электроникой совсем не обязательно брать в руки паяльник. Все электронные элементы беспаечным способом устанавливаются на макетную плату и с помощью проводов подключаются к плате Arduino Uno с микроконтроллером. Устройство готово и можно сразу проводить эксперименты. Все это позволяет учащимся уже с 6-7 класса легко и быстро создавать электронные устройства, проводить экспериментальные и исследовательские работы, стимулирующие техническое творчество.

Цель работы в программной среде Arduino IDE: разработка программы управления электронным устройством и проведение экспериментов. Разработка программ для управления электронными устройствами на базе Arduino осуществляется в официальной бесплатной среде, использующей си-подобный язык программирования. Огромное количество примеров в самой среде, на сайте wiki.amperka.ru, в различных форумах по использованию Arduino с подробным описанием примеров программ, позволяет быстро освоить программирование электронных устройств даже учащимся не знакомым ранее с программированием на Си (6-9 классы), а тем, кто знаком (10-11 класс) – применить основные конструкции языка в своих целях. Процесс написания и отладки программ в этой среде удобен и прост, что позволяет учащимся легко протестировать алгоритм поведения собранного электронного устройства, сразу увидеть и самостоятельно исправить ошибки. Работа с Arduino делает процесс программирования более наглядным, понятным и ориентированным на практический результат. Учащиеся лучше понимают работу различных алгоритмических структур, процесс программирования становится для многих увлекательным процессом управления устройством собранным своими руками.

Большое количество электронных элементов, входящих в набор «Матрешка Y», возможность дополнять эти наборы другими совместимыми элементами дают большой простор для выполнения учащимися различных проектов - от простых устройств, применяющихся в окружающей жизни («умный» светильник, «умный» светофор, дверной звонок, пожарная сигнализация, автоматический шлагбаум и др.) до сложных робототехнических проектов. И здесь основными видами работы является проектно-исследовательская деятельность.

Работая с наборами «Матрешка Y», мы увидели большой плюс: высокая мотивация учащихся к техническому творчеству и программированию. Ребята получают большое удовольствие от того, что сразу видят результат своей работы по созданию собственного электронного устройства и программирования его управлением. Эта деятельность позволяет учащимся увидеть красоту профессии радиоэлектроника, инженера и помогает определиться с выбором профессии. В ходе такой деятельности происходит воспитание уважения учащихся к научному труду и его результатам. И даже если выпускник лицея выбирает для себя другое направление, не связанное с работой инженера, такие базовые знания в области электронной и вычислительной техники позволят лучше понять окружающий мир. Они являются неотъемлемой частью общей технической культуры современного человека, что необходимо специалисту любого профиля.

Так как работа, в основном проходит в группах из-за ограниченного числа наборов, то учащиеся одновременно получают навыки сотрудничества, умения правильно вести научный диалог, проявлять толерантность к мнению другого человека, умения распределять обязанности при работе в команде. Такая работа позволяет учить учащихся творчески подходить к решению любой задачи, работать сообща, находить и принимать совместные решения.

Конечно, для успешного управления проектно-исследовательской деятельностью обучающихся учителю необходимо обеспечить грамотное сопровождение проекта или исследования, что требует от него определенного научного уровня, ориентированности на результат и инновационную работу школьников. Новая образовательная среда выставляет и новые требования к учителю: он вынужден сам стать исследователем, постоянно совершенствоваться и постигать стремительно изменяющийся мир, изучать новые технологии в сотрудничестве с коллегами и своими учениками.

Ресурс с практикумами – здесь.

Литература

1.Блум Джереми. Изучаем Arduino: инструменты и методы технического волшебства: Пер. с англ. – СПб.: БХВ-Петербург,2015.

2.Образовательная робототехника во внеурочной деятельности: учебно-методическое пособие /В.Н. Хламов и др. – Челябинск: Взгляд, 2011.